鋼鐵制造流程動態(tài)運行過程的物理本質(zhì)與功能拓展

鋼鐵是一個“必要的材料”，可以重復使用。作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料和功能材料的位置，它在所預測時間內(nèi)沒有太大變化。鋼鐵工業(yè)屬于流程制造業(yè).它是由功能不同的制造工序(裝置)通過組合-集成構(gòu)建起來的.從工程系統(tǒng)看,經(jīng)過一個半世紀以來的演變,現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)的制造流程已演變兩類基本流程(圖1):1)以鐵礦石、煤炭等天然資源為源頭的高爐-轉(zhuǎn)爐-熱軋-深加工流程和熔融還原-轉(zhuǎn)爐-熱軋-深加工流程.這是包含了原料和能源儲運/處理、燒結(jié)-焦化-煉鐵過程(熔融還原)、煉鋼-精煉-凝固過程、再加熱-熱軋過程及冷軋-表面處理過程的生產(chǎn)流程;2)以廢鋼為再生資源和電力為能源的電爐-精煉-連鑄-熱軋流程.這是以社會循環(huán)廢鋼、加工制造廢鋼、鋼廠自產(chǎn)廢鋼和電力為源頭的制造流程,即所謂電爐流程.從物理角度上看,鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)過程實質(zhì)上是物質(zhì)、能量以及相應信息的流動/流變過程.其動態(tài)運行過程的物理本質(zhì)是:物質(zhì)流(主要是鐵素流)在能量流(主要是碳素流)的驅(qū)動和作用下,按照設(shè)定的“程序”,沿著特定的“流程網(wǎng)絡(luò)”作動態(tài)-有序的運行.從熱力學角度上看:鋼鐵制造流程是一類開放的、非平衡的、不可逆的、由不同結(jié)構(gòu)-功能的單元工序通過非線性耦合所構(gòu)成的復雜系統(tǒng),其動態(tài)運行過程的性質(zhì)是耗散過程.在鋼廠生產(chǎn)過程中,鐵素物質(zhì)流是一類多因子流,是被加工的主體.碳素能量流則作為驅(qū)動力、化學反應介質(zhì)或熱介質(zhì)按照工藝要求對物質(zhì)流進行加工、處理,使其發(fā)生位移、化學/物理轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)以制造過程中物質(zhì)、能量“耗散最小化”為核心的多目標優(yōu)化.例如生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)、能源消耗低、過程排放少、生產(chǎn)成本低、環(huán)境/生態(tài)友好等.從鋼鐵制造流程動態(tài)運行過程的物理本質(zhì)出發(fā),可以推出其功能應拓展為:1)鐵素流運行的功能――鋼鐵產(chǎn)品制造功能;2)能量流運行的功能――能源轉(zhuǎn)換功能以及與剩余能源相關(guān)的廢棄物消納-處理功能;3)鐵素流-能量流相互作用過程的功能――實現(xiàn)過程工藝目標以及與此相應的廢棄物消納-處理功能.鋼鐵工業(yè)的未來發(fā)展,應該在充分理解鋼鐵制造流程動態(tài)運行過程物理本質(zhì)的基礎(chǔ)上,進一步拓展鋼廠的功能,以新的模式實現(xiàn)生態(tài)化轉(zhuǎn)型,融入循環(huán)經(jīng)濟社會.1新一代鋼鐵制造工藝與技術(shù)進步帶來的戰(zhàn)略性問題鋼鐵產(chǎn)品制造功能是建立鋼廠的初衷和基本出發(fā)點,在未來發(fā)展過程中,既要考慮市場競爭力,同時又必須重視可持續(xù)發(fā)展能力,對于新一代鋼廠的產(chǎn)品制造功能,應該從如下視角出發(fā)來思考技術(shù)進步的戰(zhàn)略性問題:1)以過程耗散“最小化”為核心目標,建立動態(tài)-有序、連續(xù)-緊湊的新一代鋼鐵制造流程;2)以過程冶金的解析-集成優(yōu)化為原則,建立起針對不同產(chǎn)品的高效率、低成本“潔凈鋼平臺”;3)以材料工程為指導,規(guī)范不同鋼鐵產(chǎn)品的合理性能并實現(xiàn)產(chǎn)品換代.2物質(zhì)流和能量流相結(jié)合鋼鐵制造流程的物理本質(zhì)和運行特征可以進一步具體表述為:由各種物料組成的物質(zhì)流在輸入能量的驅(qū)動和作用下,按照設(shè)定的工藝流程,使鐵素物質(zhì)流發(fā)生狀態(tài)、形狀和性質(zhì)等一系列變化,成為期望的產(chǎn)品.在這過程中,物質(zhì)流和能量流時而分離、時而相伴.相伴時,相互作用、影響;分離時,又分別表現(xiàn)各自的行為特征.2.1從“兩網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)“兩個網(wǎng)深入分析研究一下鋼鐵制造流程中物質(zhì)流與能量流的行為和關(guān)系是有必要的.總的看來在鋼廠生產(chǎn)流程中,能量流與物質(zhì)流是時合時分的(圖2~4).分析圖2~4,不難看出如下特點.1)從企業(yè)生產(chǎn)流程整體上看,物質(zhì)流與能量流是相互關(guān)聯(lián)的.但是,從物質(zhì)流、能量流的運行軌跡看是時合時分的,并可以分別形成“物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)”和“能量流網(wǎng)絡(luò)”,兩者并不完全重合;2)從局部的工序/裝置看,在輸入端,物質(zhì)流和能量流分別輸入;在裝置內(nèi)部,物質(zhì)流與能量流相互作用、相互影響;在輸出端,往往表現(xiàn)為物質(zhì)流帶著部分能量輸出,同時還有不同形式的二次能量流分別輸出.這是因為在工序/裝置中,有必要的過剩能量,才能保證工藝、加工過程中的效率,因此有剩余能量流輸出是不可避免的.例如:在高爐煉鐵過程中,在輸入端,燒結(jié)(球團)礦和焦炭、煤粉、鼓風是分離的(物質(zhì)流和能量流分離);在高爐內(nèi)部,燒結(jié)(球團)礦和焦炭、煤粉、鼓風相互作用、相互影響,發(fā)生燃燒升溫、還原反應、成渣脫硫、鐵液增碳等反應,完成了液態(tài)生鐵的生產(chǎn)過程;在輸出端,液態(tài)生鐵和液態(tài)爐渣等物質(zhì)流承載著大部分的能量輸出,與此同時大量的高爐煤氣帶著動能、熱能和化學能輸出,仍然保持著能量流的形式.同樣:在燒結(jié)過程、焦化過程、煉鋼過程、軋鋼加熱爐過程也有相似的現(xiàn)象(見圖5~8).因此,人們不僅要注意輸入端的能量流行為,而且也必須注意輸出端的能量流行為.2.2鐵素物質(zhì)流及其回收過程中的二次能源在研究鋼鐵制造流程的能源轉(zhuǎn)換功能時,也應該建立起與能量相對應的“流”、“能源轉(zhuǎn)換程序”和與之相關(guān)的“能源轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)”的動態(tài)-有序、輸入-輸出概念;其中包括了有關(guān)鋼廠能量流運行的時間-空間-信息概念.而不能局限在質(zhì)-能衡算的概念上.現(xiàn)在,國際頂級的高爐-轉(zhuǎn)爐-熱軋生產(chǎn)流程也還有38%左右的能源未被鐵素物質(zhì)流充分利用,為了充分利用鋼廠生產(chǎn)過程輸入的一次能源和能源轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的二次能源,應該作如下通盤思考:――以輸入-輸出的模型研究鋼廠能量流與物質(zhì)流的關(guān)系,以及其中能量流的行為;――以功能-效率為目標,研究一次能源、二次能源使用順序;――以連續(xù)實時調(diào)控和近“零”排放為目標,以圖論等方法手段,研發(fā)鋼廠“能源轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)”(“能量流網(wǎng)絡(luò)”);――開發(fā)有關(guān)鐵素物質(zhì)流運行過程中的節(jié)能減排技術(shù);――研究二次能源充分利用條件下不同鋼鐵制造流程的極限能耗量值;――研究鋼鐵制造流程的結(jié)構(gòu)與噸鋼CO2排放的關(guān)系…….3生產(chǎn)過程與產(chǎn)業(yè)鏈接從鋼鐵生產(chǎn)過程中物質(zhì)流和能量流的運行看,都會產(chǎn)生副產(chǎn)品、廢棄物、余熱、余能等物質(zhì)、能量的排放,這些排放過程及排放物構(gòu)成了對環(huán)境、生態(tài)的不良影響.縱觀國際動態(tài),鋼鐵工業(yè)應對環(huán)境-生態(tài)的對策,大體上經(jīng)歷了的過程如圖9所示.由圖9可知,在20世紀60~70年代主要是被動地采取末端治理的方法來消除或減輕污染公害.繼而在70~90年代轉(zhuǎn)向節(jié)能減排為主的積極對策,減少排放、減少污染并降低成本.到80年代后期至90年代進一步上升到清潔生產(chǎn)過程和綠色制造的階段,清潔生產(chǎn)過程是指將整體的、預防的環(huán)境戰(zhàn)略持續(xù)地應用于生產(chǎn)過程中,綠色制造的內(nèi)涵比清潔生產(chǎn)的內(nèi)容更寬泛些,它還包括了提高產(chǎn)品使用效率或使用壽命等.20世紀90年代后期進入研究鋼廠生態(tài)化轉(zhuǎn)型和構(gòu)想融入循環(huán)經(jīng)濟社會階段.旨在將鋼鐵企業(yè)與相關(guān)的生產(chǎn)過程、社會消費過程和廢棄過程、分解-回收-循環(huán)利用過程組成生態(tài)工業(yè)鏈,這是鋼鐵工業(yè)生態(tài)化轉(zhuǎn)型并融入循環(huán)經(jīng)濟社會的重要構(gòu)成和標志(圖10).在鋼鐵制造流程的物質(zhì)流運行、能量流運行的物質(zhì)流-能量流相互作用過程中,存在著消納-處理廢棄物并使之資源化、能源化的可能性.例如:在物質(zhì)流運行過程中消納廢鋼,處理煙塵、鐵鱗等含鐵廢棄物,回收利用Cr,Ni,Cu,Zn等金屬;在能量流的運行過程中消納-處理廢塑料、廢輪胎、處理社區(qū)污水、處理垃圾甚至大量制氫等;在延伸生態(tài)-工業(yè)鏈的過程中與水泥、建材、發(fā)電等產(chǎn)業(yè)鏈接.在未來發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的過程中,鋼廠生產(chǎn)過程應是重要切入點之一,因為鋼廠具有如下特點:1)資源密集、能源密集:在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)內(nèi),每噸鋼將消耗0.6~0.8噸標準煤、1.50~1.55噸鐵礦石、80~150公斤廢鋼、3~6t新水.由此形成了大量的物質(zhì)、能量的輸入與輸出;2)生產(chǎn)規(guī)模大、物流吞吐大:現(xiàn)代化鋼廠的基本級別已經(jīng)大致地分為年產(chǎn)鋼800~1000萬噸,600~800萬噸,300~400萬噸及100~200萬噸等級別;由此伴隨著巨大的運輸物流和資金流;3)鋼鐵制造流程工序多、結(jié)構(gòu)復雜,由此可形成若干產(chǎn)業(yè)鏈接關(guān)系;4)鋼鐵制造流程中伴隨著大量物質(zhì)和能量排放,并形成了復雜的環(huán)境界面,其中蘊含著大量的“減量化、再利用、再循環(huán)”的機會.4開發(fā)新一代清潔能源—鋼廠副產(chǎn)煤氣制氫高爐-轉(zhuǎn)爐流程是鐵-煤化工過程,是將煤炭通過冶金流程轉(zhuǎn)換為熱能、電能、可燃氣、蒸汽等能源的過程.值得重視的是由鋼鐵制造流程可以開發(fā)出大量新一代清潔能源—氫氣,例如通過吸附制氫的方法從焦爐煤氣中得到氫;通過CO-H2O反應,從高濃度CO的轉(zhuǎn)爐煤氣中得到氫,也可以從熔融還原爐富CO、富H2的尾氣中得到氫;進而還可以進一步加工成二甲醚(CH3OCH3)作為液態(tài)能源.4.1焦爐煤氣制氫的必要性和可行性工業(yè)制氫目前是以天然氣、石油和煤為原料,在高溫下使之與水蒸氣反應或用部分氧化法制得(圖11).而鋼鐵企業(yè)(或煉焦廠)產(chǎn)生的焦爐煤氣含有50%~60%的H2,是非常好的制氫原料氣(表1).目前鋼廠主要還是將焦爐煤氣用做燃料,看來,焦爐煤氣利用的合理途徑需引起重視,應該盡可能少地將焦爐煤氣作為燃料來使用.采用焦爐煤氣制氫,只需按現(xiàn)有煤氣處理工藝,將其中的有害雜質(zhì)去除,即可通過變壓吸附技術(shù)提取出高純度(99.99%)的氫氣(圖12),按此流程1m3的焦爐煤氣可制取約0.44m3的氫.與天然氣制氫相比,省去了蒸汽轉(zhuǎn)換或部分氧化等CH4裂解過程,從而省去了這一工藝過程的能源消耗.比直接使用較貴的天然氣和煤炭等制氫更加經(jīng)濟,是大規(guī)模、高效、低成本地生產(chǎn)廉價氫氣值得探索的途徑.目前,焦爐煤氣變壓吸附制氫技術(shù)在裝置規(guī)模為1000~3000m3/h左右是成熟的,大規(guī)模制氫裝置(如10000m3/h級以上)尚有待進一步開發(fā).4.2煤氣、工業(yè)電池生產(chǎn)工藝鋼廠轉(zhuǎn)爐煤氣和COREX煤氣成分,均富含CO甚至富含H2(表2),其制氫工藝可以通過水煤氣變換反應,生成富H2的合成氣.(1)轉(zhuǎn)爐煤氣制氫.轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)產(chǎn)生的煤氣經(jīng)降溫、除塵后,進入水煤氣變換裝置中在催化劑的作用下,發(fā)生水煤氣變換反應.反應后,經(jīng)冷卻、分離,獲得富含氫氣的混合氣體混合氣體經(jīng)脫硫后,采用變壓吸附制氫法,獲得高純度氫氣.(2)COREX煤氣制氫.熔融還原爐(COREX)以鐵礦和煤炭為原料,在生產(chǎn)鐵水過程的同時,發(fā)生大量富含CO和H2的COREX煤氣.在工業(yè)條件下,其制氫過程以及相應其物料平衡大致如圖13及表3所示:5需要技術(shù)及技術(shù)開發(fā)、投資、運行成本實施循環(huán)經(jīng)濟應該以3R為原則,實現(xiàn)資源、能源的最有效利用,降低環(huán)境負荷,其目的是促進經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展.應該指出:所謂“3R”只是原則,不是實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟過程中的全部要素.因為實施循環(huán)經(jīng)濟是有循環(huán)成本的,有資金流動增值內(nèi)涵的.實施循環(huán)經(jīng)濟需要技術(shù)(及技術(shù)開發(fā))、需要投資、還有運行成本;實施循環(huán)經(jīng)濟的主體是各種不同類型的經(jīng)濟單元(企業(yè)),企業(yè)的存在離不開資金流動,因此,實施循環(huán)經(jīng)濟也是建立在資金流動并實現(xiàn)增值基礎(chǔ)上的.實施循環(huán)經(jīng)濟不僅要注意成本、資金要素,而且還必須注意物質(zhì)、能量循環(huán)利用在時間和空間配置上的可能性和合理性.在各類循環(huán)過程中,物質(zhì)、能量的有效利用不能脫離時間、空間要素,沒有時間、空間概念的循環(huán)過程是難以想象的.從而可以看出,實施循環(huán)經(jīng)濟是以“3R”為基本原則,并在一定條件下將物質(zhì)、能量、時間、空間、資金等“五要素”有效地整合在一起以實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益協(xié)同發(fā)展的經(jīng)濟模式(圖14).一個著名的案例就是丹麥卡倫堡生態(tài)工業(yè)園區(qū)(圖15),其中不僅包括了物質(zhì)、能量循環(huán)利用,而且體現(xiàn)了較為合理的空間-時間尺度以及資金的增值過程.6物質(zhì)/能量循環(huán)通量的確定標準在不同條件下,循環(huán)經(jīng)濟的實施有賴于以下技術(shù)-經(jīng)濟因素的協(xié)調(diào):1)物質(zhì)/能源(包括排放物、廢棄物等)循環(huán)鏈的延伸、擴展及其轉(zhuǎn)換/利用效率的合理性;2)物質(zhì)/能源循環(huán)通量的大小,必須具有一定的循環(huán)通量,才能具有可行性;3)物質(zhì)/能量在循環(huán)過程中的經(jīng)濟合理性(流動-循環(huán)的成本等);4)物質(zhì)/能量在循環(huán)過程中時間-空間因素的集成性(流動-循環(huán)的可行性和穩(wěn)定性等).推行循環(huán)經(jīng)濟要根據(jù)上述諸因素,充分論證其技術(shù)-經(jīng)濟可行性,并擇易先行,擇優(yōu)先行.可見,鋼廠的生態(tài)化轉(zhuǎn)型與發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟關(guān)系密切,鋼廠應是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的優(yōu)先切入點之一.7可選擇的發(fā)展模式從鋼鐵工業(yè)生態(tài)化和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的理念出發(fā),鋼廠未來發(fā)展模式將通過綠色制造向生態(tài)化轉(zhuǎn)型,逐步形成都市周邊環(huán)境友好型鋼廠(圖16)和港口生態(tài)工業(yè)帶鋼廠(圖17)兩種主要的可選擇的模式.(1)城市社區(qū)矯正社會經(jīng)濟職能.由于工業(yè)生態(tài)鏈的構(gòu)成,鐵素資源會成為循環(huán)經(jīng)濟中的重要一環(huán).在若干有條件的城市周圍,特別是大城市周邊的鋼廠應該融入循環(huán)經(jīng)濟社會,逐步實施生態(tài)化轉(zhuǎn)型,這類鋼廠有著諸多有利條件和經(jīng)濟-生態(tài)價值.城市中產(chǎn)生的廢鋼、廢塑料、廢輪胎、垃圾等大量廢棄物可以由鋼廠就近處理并有效地利用.同時,鋼廠的社會經(jīng)濟職能也可以通過生態(tài)化轉(zhuǎn)型而得到進一步擴展.鋼廠除了供給城市及其周邊地區(qū)所需的鋼材以外,還可以向社區(qū)居民供應熱水乃至部分電力等(見圖16).(2)生態(tài)化鋼-電-水泥聯(lián)產(chǎn)生態(tài)工業(yè)帶由于全球經(jīng)濟一體化進程的加速,大宗礦物資源和能源的國際貿(mào)易進一步擴大.如:2006年全球鐵礦石的出口量已到7.8億噸,2006年我國鐵礦石進口量已達3.26億噸,2007年則為3.83億噸.促進了港口生態(tài)型大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的發(fā)展,并將引起某些綜合條件優(yōu)良的港口城市逐步發(fā)展為生態(tài)工業(yè)帶.在這種條件下,大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)可以憑借自己的物質(zhì)流優(yōu)勢、能量流優(yōu)勢、資金優(yōu)勢、技術(shù)優(yōu)勢、人才優(yōu)勢,擴展其制造鏈、經(jīng)營鏈.鋼廠可以成為循環(huán)經(jīng)濟的核心,發(fā)展鋼-電-水泥聯(lián)產(chǎn)的工業(yè)生態(tài)鏈,可以與石化工業(yè)、造船工業(yè)、集裝箱制造業(yè)等形成產(chǎn)業(yè)鏈.同時,大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)產(chǎn)生的富一氧化碳(轉(zhuǎn)爐煤氣)、富氫煤氣(焦爐煤氣),